关于对水泥窑5.4MW余热发电机组闪蒸补汽系统的技术改造
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摘要：文中笔者详细介绍了冀东水泥某公司回转窑配套5.4mw余热发电机组的闪蒸补汽系统，从开始的问题重重无法使用，一直到最终稳定可靠的投入使用期间的技术改造历程。对于其它同类型的余热发电机组应具有一定的参考价值。
关键词：余热发电；中间补汽；闪蒸；汽轮机；双控电磁阀
0引言
近些年，余热发电系统已经成为水泥厂回转窑熟料生产线的必不可少的配套系统，它既减少了熟料生产线的热量损失及粉尘排放，同时也为水泥厂带来了可观的经济效益。目前水泥厂配套的余热发电系统形式多种多样，但还是以90年代由日本川崎公司引进的以窑头AQC立式锅炉，窑尾PH卧式锅炉，配套带一级闪蒸系统的纯余热低压汽轮发电机组的系统形式最为常见。
闪蒸补汽系统就是将窑头AQC锅炉省煤器出口的高温水引出，进入闪蒸器扩容闪蒸，形成具备一定参数的饱和蒸汽，引入汽轮机汽缸中部做功发电的系统。该系统在一定程度上缓解了水泥厂余热热源品位较低，难以较好利用的问题，进一步降低了锅炉的排烟温度，提高了循环热效率，增加了机组的发电量。但由于好多生产现场的技术人员对该系统接触较少，担心较多，又加上设备问题、设计不合理等等因素，据笔者了解目前国内该套系统真正投入使用的余热机组寥寥无几。
下面笔者就将亲身参与的冀东水泥某公司5.4MW余热发电机组闪蒸补汽系统的技术改造的全过程呈现给大家，希望能起到抛砖引玉的作用。
1系统简介
这套机组的汽轮机是型号为：N5.4-1.15/0.127/340/106的双压凝汽式汽轮机，一次进汽压力为：1.10Mpa.a，温度为：340℃。闪蒸补汽压力为：0.13Mpa.a，温度为：106℃。闪蒸补汽引入汽缸4级后的补汽口。该补汽系统在改造前的系统布置见图1。
该系统的原设计理念是通过一台液压速断阀控制闪蒸补汽的投、停，同时该阀参与汽轮机的保护联动，当汽轮机主气门关闭时能联动关闭该阀，快速切断闪蒸补汽；一台手动截止阀用于系统的隔绝，同时也作为并汽时的手动调节阀使用；三路疏水用于并汽前排除管道内积水，以防蒸汽带水，造成汽轮机的水冲击，疏水经疏水膨胀箱扩容后回收至凝汽器；该系统在理论上看来似乎没什么问题，但没想到在接下来的使用过程中却问题重重。
2问题分析及解决
2.1发生的问题
该补汽系统在调试期间发生了一系列问题，致使调试技术人员一筹莫展。具体如下：
2.1.1并汽前开疏水会发生撞管现象。
2.1.2补汽速断阀在开、关时汽轮机自动主汽门会伴随小幅的开度波动。
2.1.3补汽速断阀单独关闭时动作迅速有力，但是与汽轮机自动主汽门联动时却感觉动作较慢而且无力。
2.1.4控制速断阀油路的电磁阀的线圈在系统停用期间连续烧毁两次。
上面发生的种种问题一时间确实让人感到扑朔迷离，这套闪蒸补汽系统也就只好暂时闲置不用了。当时笔者正好是该余热发电项目的一名技术人员，本着一种技术人员所共有的喜欢钻研难题的心理，开始了对这套系统的深入研究。
2.2撞管原因分析
我们通过对（图一）的仔细观察不难发现，该系统的3道疏水均接到了疏水膨胀箱，然后进入凝汽器回收。这就与我们在汽轮机主汽管道上的疏水设计理念发生了出入。汽轮机主气管道上只有自动主气门后的导管疏水才和汽缸本体疏水一道回收至凝汽器，而主汽阀前的管道疏水则由单独的疏水扩容器回收。这样就使主汽管道疏水系统以自动主气门为界分为两部分，避免了系统的干扰，同时也使一起回收的各道疏水参数更为接近，避免了撞管。回头再看这套闪蒸补汽管道的疏水系统，问题就显而易见了，在补汽暖管过程中，汽轮机已经是热态了，疏水膨胀箱也有一定的温度，而第一道疏水管排出的却是具一定压力的冷水，与第三道疏水（与气缸内参数接近）有较大的参数差异，第二道疏水是静压的冷水，水量很少，应无冲击能力。这就应该是该系统暖管开疏水时发生撞管的原因了。同时我们还发现如果按（图一）3道疏水同时开启，而疏水总门关闭，汽轮机极有可能发生水冲击。所以这套疏水系统设计是存在问题的。
2.3解决撞管问题的改造方案
根据以上分析我们将疏水系统做如下改造，我们以补汽管道手动截止阀作为分界线，将（图一）第二、三道疏共同引入疏水膨胀箱，回收至凝汽器；将第一道疏水引到厂房外全厂疏水扩容器。并汽时先开速断阀，然后用手动阀并汽，撞管的问题应可解决。具体见图2。
2.4对补汽阀开、关引起自动主气门开度变化的原因分析
我们通过对补汽速断阀的油路研究后发现补汽阀的压力油从自动主汽门安全油管路引出，而补汽阀在开、关时是通过电磁阀对压力油进行换向，开阀时压力油接入活塞下腔，回油与活塞上腔接通，关阀时相反；这就造成了压力油管道油压的波动，影响了安全油的油压，从而使自动主汽门发生开度波动。具体见图3。
2.5对补汽阀开关干扰自动主气门问题的解决方案
根据上文的分析，我们要解决补气阀操作时造成自动主气门开度变化的问题，有两种可行的办法，下面我们逐一分析。
一是在补气阀压力油管道上增加节流孔板，以消除补气阀压力油管道油压波动对于安全油油压的影响。但是，安全油在由主油泵出口母管引出时已经安装了φ5节流孔板，所以我们如果要在下一级管路再安装节流孔板，那么孔径就要比φ5更小，所以没有什么可操作性，此方法排除。
二是将补气阀的压力油改为由主油泵出口母管引出，这样就消除了对自动主气门的干扰，但是也有一个问题，就是补气阀压力油由自动主气门的安全油管路引出其目的是如果机组打闸自动主汽门关闭，补气阀也可以联动动关闭，可是油管改动后这个联动功能就没有了。但我们可以用其他方法来实现这个联动功能，因为补气阀是由电磁阀通过电信号控制开、关的，那么我们可以通过后台电脑采集自动主气门的关闭信息（实际上我们的后台电脑已经通过行程开关采集了自动主气门开、关的状态信息），利用这个信息，我们可以通过中控程序来控制补气阀联动关闭。
至此，我们就在解决了补气阀干扰自动主汽门的问题。
2.6对补汽阀联动关闭缓慢无力问题的分析
前面我们已经将补气阀的油路进行了改造，该问题是出现在油路改造之前，但是我们还是要进行一下分析，以解除大家心中的疑惑，在油路改造之前（见图三），补汽阀的压力油是由自动主气门的安全油管路引出，这就实现了当安全油压降低自动主汽门关闭，同时补气阀压力油油压也降低，补汽也同时关闭的功能。但是补气阀正常关闭是由电磁阀对油路进行控制，将压力油接入活塞上腔，活塞下腔与回油管路接通，从而通过弹簧力与压力油共同实现补气阀关闭，这里就出现了问题，补气阀的正常关闭是由弹簧力与压力油共同作用，但是联动关闭时压力油已经由自动主气门泄放降压，所以其辅助关闭补气阀的功能就没有了，补汽阀的关闭只是通过弹簧力的作用来实现，由于电磁阀本身也没有动作换向，将活塞下腔与回油管路接通，这就形成了关闭的阻力，这就解释了补气阀联动关闭时缓慢无力的原因。随着前面补气阀油路及联动控制方式的改变，这个问题也就同时解决了。
2.7对电磁阀频繁烧损问题的分析
提到电磁阀我们就要对该补气阀所使用的电磁阀进行一下介绍，该电磁阀是一台两位四通的单线圈电磁阀，使用中的阀芯的两位是靠线圈的通、断电来实现的，通过对补汽阀的控制原理分析，我们得出，为了使补汽阀保持开和关两种状态，电磁阀就必须长期通电或断电，而无法通过瞬间通电来实现。补汽系统停用期间需要补气阀保持关闭状态，经测试关阀正好是由电磁阀通电来实现的。这也就解释了系统停用期间电磁阀线圈频繁烧毁的现象。
2.8对电磁阀频繁烧毁问题的解决方案。
若想解决电磁阀频繁烧毁问题就必须不让线圈长期带电，但通过对补汽阀开关动作控制原理的分析，如果要用单线圈电磁阀实现线圈瞬间带电控制补气阀动作，就需要增加中间液压机构来实现油路通、断状态在电磁阀失电以后的保持。这个办法虽可行但其改造的复杂性可造价显然有些大。能否通过其他更好的办法来解决这个问题呢。经过分析我们发现，同样的两位四通电磁阀如果能实现线圈断电后阀芯位置自保持，这个问题就能解决。但如果只是用单线圈控制的两位四通电磁阀，即便阀芯在线圈得电位置实现了自保持，就没有办法让阀芯回到线圈失电位置了。这让我想到了以前的老机组中有一种带复位功能的电磁阀，在电磁阀动作以后需在现场对阀芯进行复位操作使其返回原始位置，但那种电磁阀一般只是控制油路通断，更复杂的控制在其他液压机构中实现，有没有这种带复位机构的两位四通换向阀呢？即便是有的话，如果关阀是由线圈瞬间带电来实现，那么每次开阀还得到现场去操作，又太不方便。如果有一种双线圈带自保持的两位四通电磁阀，能实现阀芯两位分别由单独的线圈控制，就既能使线圈不长期通电，又能实现阀位开关都可自动控制。经过在网上的查询和与相关厂家的咨询我们找到了一种型号为：4WE10C31B/OFCW220RN9DL的双线圈带自保持的两位四通电磁阀，其控制原理如图4，至此我们就解决了所有问题。
3改造实现
疏水改造，油路改造、电磁阀更换都无需再详细介绍，下面重点说一下相关电气控制以及自动化方面的改造。
补汽阀原控制理念是由中控控制程序中的一个常开点开、闭向就地控制箱发令，再由就地控制箱继电器的一个常开点开、闭来控制现场阀位开、关。就地控制箱同时具备就地控制功能，以及远、近控切换功能。现在将原来的单线圈电磁阀改为双线圈电磁阀以后，原有的中控程序以及就地控制箱无疑都需要进行相应改造。中控程序的修改较为简单，只需再增加一个常开点并且两点都增加延时程序以实现两个电磁阀线圈的瞬间带电即可。就地控制箱也需再增加一套对电磁阀线圈的控制系统，下面展示一下改造前的控制箱原理图（图5）及改造后的控制箱原理图（图6），大家便一目了然。
最后还有一项我们在前文中讲到的油路改造后的遗留下的补气阀与自动主气门联动关闭的问题。其实很简单，我的中控程序中已经有采集自动主汽门开、闭状态的点，只需再补气阀关闭条件中增加自动主气门关闭的点即可，如果担心延迟造成可靠性下降，可再加入自动主汽阀打开状态点的取反即可。
至此，改造全部结束，在经过了开关试验，联锁试验合格以后，闪蒸补汽系统顺利投入运行，机组在额定工况下可增加200kw的负荷，系统可靠性及稳定性都很好，至今几年未出现任何问题。
4结语
本文通过对冀东水泥某公司5.4MW余热发电机组闪蒸补汽系统技术改造的全过程介绍，以及改造后的运行实践，证明闪蒸补汽系统在低温余热发电系统中是完全可以实现稳定投入的，带来的经济效益也相当可观。只要系统联锁、保护设计合理，其可靠性也毫无问题。